CN109613892A - 一种数控四轴立式铣床实现联动加工的后置处理算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控四轴立式铣床实现联动加工的后置处理算法，包括以下主要步骤：（1）计算旋转轴A的角度值、（2）实现刀尖跟随功能、（3）控制四轴联动时直线运动的非线性公差、（4）调整进给速度。本发明既有效解决了数控系统多轴功能欠缺的问题，又避免了CAM软件内置后置处理在编程、工件安装与对刀方面的不便，提高了整个加工效率。

Description

一种数控四轴立式铣床实现联动加工的后置处理算法

技术领域

本发明属于CAM技术领域，具体涉及一种数控四轴立式铣床实现联动加工的后置处理算法。

背景技术

随着CAM技术的进步，数字化制造技术得到了快速发展，数控机床的普及率越来越高，数控系统的功能越来越丰富，数控机床的种类也趋于多样化。数控铣床按主轴的布置形式一般可分为立式和卧式、立卧两用式三种。数控四轴立式铣床主轴与工作台垂直，在三个线性轴之外增加了一个回转工作台，绕X轴旋转，实现A轴的运动。数控四轴立式铣床常用于回转型零件轮廓加工、侧面台阶与孔位加工，尤其适合简单叶片零件的加工。但是市面上大多数数控四轴立式铣床配置的数控系统功能较弱，一些多轴联动加工功能欠缺，因此开发此类机床的四轴联动后置处理算法，对实现低成本、高效率、高质量加工具有重要意义。

在目前的生产实践中，四轴联动后置处理往往在CAM软件中开发，但是在CAM软件中开发的后置处理对编程有特殊的限制，一般需要将编程原点置于工作台的回转中心上，也就等同于要求在实际加工时加工原点置于工作台的回转中心，有时甚至要求工件回转轴与工作台回转中心重合，而不能像三轴加工那样将加工原点置于工件上，这样就给编程、工件安装、对刀操作等带来不便。

发明内容

要解决的技术问题

针对上述问题，本发明单独开发四轴联动加工的后置处理算法，使得在CAM软件中编程出刀路时，像三轴编程那样可以将编程原点置于工件表面上，工件安装不必考虑其与回转工作台回转中心的位置关系，加工原点按照编程原点置于工件表面上，对刀操作完全与三轴加工一样。本发明为数控四轴立式铣床联动加工提供了一种高效、简便的解决方案。

技术方案

一种数控四轴立式铣床实现联动加工的后置处理算法，主要包括以下步骤：

步骤1：计算旋转轴A的角度值；

步骤2：实现刀尖跟随功能；

步骤3：控制四轴联动时直线运动的非线性公差；

步骤4：调整进给速度，操作完成。

进一步的，所述的步骤1中计算旋转轴A的角度值是先通过工作台旋转中心坐标系和编程坐标系推导出从编程坐标系变换到旋转中心坐标系的转换公式(1)，再设工件上需要加工的点为P点，并将P点在编程坐标系中的坐标值带入公式(1)中，求得P点经转换后在工作台旋转中心坐标系的坐标值；其转换公式为：

式中(y₁，z₁)为刀位点在编程坐标系的坐标值，(y，z)为刀位点经转换后相对于工作台旋转中心坐标系的坐标值，offset_y、ffset_z为O相对于O₁的偏置值分量；其中，O为工作台旋转中心坐标系的原点，O₁为编程坐标系的原点。

进一步的，通过所述的公式(1)求得P点在工作台旋转中心坐标系的坐标值后，P点可能会分布在YZ平面内任意一个象限中，将P点顺时针旋转到+Z轴上，设此旋转的角度为A角；当P点在不同的象限，其A角求解公式不同；根据P点所在的象限选择其对应的A角求解公式，求解出A角的值。

进一步的，所述的P点所在各个象限，其对应的A角求解公式如下：

第一象限：

第二象限：

第三象限：

第四象限：

式中，y、z为件的加工点在工作台旋转中心坐标系中的坐标值；A为旋转的角度。

进一步的，所述的步骤2实现刀尖跟随功能包括以下步骤：设刀位点为M点，并将M点在编程坐标系中的坐标值带入公式(1)中，求得M点经转换后在工作台旋转中心坐标系中的坐标值；然后将M点绕X轴按照顺时针方向旋转A角，并通过公式(6)求出M点在工作台旋转中心坐标系中的新坐标值，公式(6)如下所示：

式中，y、z为刀位点经转换后在工作台旋转中心坐标系中的坐标值，y′,Z’为刀位点在工作台旋转中心坐标系中旋转后的新坐标值。

进一步的，将所述的M点在工作台旋转中心坐标系中的新坐标值通过下列公式再转换回到编程坐标系中，可得M点在编程坐标系中的新坐标值，其转换公式如下所示：

式中，y’,Z’为刀位点在工作台旋转中心坐标系中的新坐标值，y₁、z₁为刀位点在转换回到编程坐标系中的新坐标值，offset_y、ffset_z为O相对于O₁的偏置值分量；其中，O为工作台旋转中心坐标系的原点，O₁为编程坐标系的原点。

进一步的，所述的步骤3中控制非线性公差的步骤如下：设工作台旋转中心点为O点，工作台旋转中心点至工件的加工点的直线设为直线|OP|；将直线|OP|设为旋转半径，并以O点为圆心，P点为起始点做弧线，再通过用户输入的已知非线性公差Δ，通过公式(8)求出走刀步长L的值；

式中，L为走刀步长的值，R为工作台旋转中心点至工件的加工点的直线长度，Δ为非线性公差；

然后根据公式(9)将走刀步长L均匀分割成多段，从而形成一系列均匀分布的中间插入点；公式(9)如下所示：

N＝int(dis/L)+1 (9)

N为均匀分割的份数，dis为直线刀轨的长度，int表示取整；

根据直线两端的端点坐标算出均匀分布的中间插入点坐标，接着依据步骤(1)算出两端点对应的A角度值，再根据上述均匀分割份数N，将角度差值均匀分为N份，这样即可求出插入的每个中间点对应的A角；

再通过步骤2的方式算出各个中间插入点在编程坐标系中的新坐标。

进一步的，所述的步骤4中调整进给速度的步骤如下：首先在编程软件中植入ISO国际标准规定的G93指令要求，然后在编程时，用户输入F₀的值后，编程软件根据G93指令通过F₀的值从而求得F值的倒数；再根据下列公式得到在G93指令下的F值；公式如下：

式中，F₀为用户编程时输入的进给速度(单位为mm/min)，dis为该程序段路径的长度；在得到G93指令下的F值后，操作完成。

有益效果

本发明提出的一种数控四轴立式铣床实现联动加工的后置处理算法,与现有技术相比较，其具有以下有益效果：

(1)本发明所提出的数控四轴立式数控铣床四轴联动加工后置处理算法，使得编程与工件安装与三轴加工一样，提高了整个加工的效率。

(2)本发明所提出的数控四轴立式数控铣床四轴联动加工后置处理算法，实现了刀尖跟随功能，保证了加工的准确性。

(3)本发明所提出的数控四轴立式数控铣床四轴联动加工后置处理算法，有效地控制了非线性误差，提高了零件加工精度。

(4)本发明所提出的数控四轴立式数控铣床四轴联动加工后置处理算法，通过赋予每个程序段在G93指令下的不同F值，实现线性轴与旋转轴运动的协调，有效地保证了加工的平稳和刀具的寿命。

附图说明

图1为本发明的算法流程图。

图2为本发明的回转中心坐标系和编程坐标系示意图。

图3为本发明的旋转轴A角度求解示意图。

图4为本发明的走刀步长求解示意图。

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围。

实施例：

如图1所示，一种数控四轴立式铣床实现联动加工的后置处理算法，主要包括以下步骤：

步骤1：计算旋转轴A的角度值；

如图2所示，OXYZ为工作台旋转中心坐标系，O₁X₁Y₁Z₁为编程坐标系。根据图4所建立的坐标系，先通过工作台旋转中心坐标系OXYZ和编程坐标系O₁X₁Y₁Z₁推导出从编程坐标系变换到旋转中心坐标系的转换公式(1)，再设工件上需要加工的点为P点，并将P点在编程坐标系中的坐标值带入公式(1)中，求得P点经转换后在工作台旋转中心坐标系的坐标值；其转换公式为：

式中(y₁，z₁)为刀位点M点相对于O₁X₁Y₁Z₁的坐标值，offset_y、ffset_z为O相对于O₁的偏置值分量,(y，z)为M点经转换后相对于OXYZ坐标系的坐标值；其中，O为工作台旋转中心坐标系的原点，O₁为编程坐标系的原点。

如图3示，通过所述的公式(1)求得P点在工作台旋转中心坐标系的坐标值后，P点可能会分布在YZ平面内任意一个象限中，需要将P点顺时针旋转到+Z轴上，设此旋转的角度为A角；这样的计算方法可以保证P点在加工时必定位于Z轴有效行程内。当P点在不同的象限，其A角求解公式不同；即需先判断点分布在哪一象限，然后根据P点所在的象限选择其对应的A角求解公式，求解出A角的值。所述的P点所在各个象限，其对应的A角求解公式如下：

第一象限：

第二象限：

第三象限：

第四象限：

式中，y、z为件的加工点在工作台旋转中心坐标系中的坐标值；A为旋转的角度。

步骤2：实现刀尖跟随功能；

为了实现刀尖跟随功能，工件在旋转一个A角后，刀位点也需要做旋转变换，即将刀位点绕X轴按照顺时针方向旋转A角，求出刀位点在OXYZ坐标系下的新坐标。

设刀位点为M点，将M点在编程坐标系中的坐标值带入公式(1)中，求得M点经转换后在工作台旋转中心坐标系中的坐标值；然后将M点绕X轴按照顺时针方向旋转A角，并通过公式(6)求出M点在工作台旋转中心坐标系中的新坐标值(y’,z’)，公式(6)如下所示：

式中，y、z为刀位点经转换后在工作台旋转中心坐标系中的坐标值，y’,z’为刀位点在工作台旋转中心坐标系中旋转后的新坐标值。

然后，再将所述的M点在工作台旋转中心坐标系中的新坐标值通过下列公式再转换回到编程坐标系O₁X₁Y₁Z₁中，可得M点在编程坐标系中的新坐标值(y₁、z₁)，其转换公式如下所示：

式中，y’,z’为刀位点在工作台旋转中心坐标系中的新坐标值，y₁、z₁为刀位点在转换回到编程坐标系中的新坐标值，offset_y、ffset_z为O相对于O₁的偏置值分量；其中，O为工作台旋转中心坐标系的原点，O₁为编程坐标系的原点。

步骤3：控制四轴联动时直线运动的非线性公差；

在三轴加工下，刀路中出现比较长的直线插补，其精度由机床内部插补计算算法来保证。但是在四轴联动运动时，由于旋转轴运动的加入，较长的直线路径会变为圆弧路径，不可避免地带来非线性公差(即实际圆弧轨迹与理想直线轨迹之间的偏差)。为此，对于三轴刀位文件中的较长直线路径，需要人为插入一系列的中间点，可以有效地控制直线路径的非线性公差，保证加工精度。

如图4所示，设工作台旋转中心点为O点，工作台旋转中心点至工件的加工点的直线设为直线|OP|；将|OP|设为旋转半径，并以O点为圆心，P点为起始点做弧线，再通过用户输入的已知非线性公差Δ，通过公式(8)求出走刀步长L的值；

式中，L为走刀步长的值，R为工作台旋转中心点至工件的加工点的直线长度，Δ为非线性公差；

然后根据公式(9)将走刀步长L均匀分割成多段，从而形成一系列均匀分布的中间插入点；公式(9)如下所示：

N＝int(dis/L)+1 (9)

式中，N为均匀分割的份数，dis为直线刀轨的长度，int表示取整。

根据直线两端的端点坐标算出均匀分布的中间插入点坐标，接着依据步骤(1)算出两端点对应的A角度值，再根据上述均匀分割份数N，将角度差值均匀分为N份，这样即可求出插入的每个中间点对应的A角；

再通过步骤2的方式算出各个中间插入点在编程坐标系中的新坐标。

步骤4：调整进给速度；

在数控编程中，用户输入的进给速度F₀是线性运动的进给速度值。在四轴联动数控加工过程中，由于旋转轴运动的加入，线性运动进给速度值需要合理分配到每个程序段，以协调线性运动与旋转运动。本发明根据ISO国际标准规定的G93指令要求，计算出每个程序段的F值。

首先在编程软件中植入ISO国际标准规定的G93指令要求，然后在编程时，用户输入F₀的值后，编程软件根据G93指令通过F₀的值从而求得F值的倒数；再根据下列公式得到在G93指令下的F值；公式如下：

式中，F₀为用户编程时输入的进给速度(单位为mm/min)，dis为该程序段路径的长度，可以根据路径两端点的坐标求出。在得到G93指令下的F值后，操作完成。

Claims (8)

1.一种数控四轴立式铣床实现联动加工的后置处理算法，其特征在于：主要包括以下步骤：

步骤1：计算旋转轴A的角度值；

步骤2：实现刀尖跟随功能；

步骤3：控制四轴联动时直线运动的非线性公差；

步骤4：调整进给速度，操作完成。

2.根据权利要求1所述的一种数控四轴立式铣床实现联动加工的后置处理算法，其特征在于：所述的步骤1中计算旋转轴A的角度值是先通过工作台旋转中心坐标系和编程坐标系推导出从编程坐标系变换到旋转中心坐标系的转换公式，并将工件的加工点在编程坐标系中的坐标值带入转换公式中，求得工件的加工点经转换后在工作台旋转中心坐标系的坐标值；其转换公式为：

式中(y₁，z₁)为刀位点在编程坐标系的坐标值，(y，z)为刀位点经转换后相对于工作台旋转中心坐标系的坐标值，offset_y、ffset_z为O相对于O₁的偏置值分量；其中，O为工作台旋转中心坐标系的原点，O₁为编程坐标系的原点。

3.根据权利要求2所述的一种数控四轴立式铣床实现联动加工的后置处理算法，其特征在于：通过步骤1所述的转换公式求得工件的加工点在工作台旋转中心坐标系的坐标值后，工件的加工点可能会分布在YZ平面内任意一个象限中，将工件的加工点顺时针旋转到+Z轴上，设此旋转的角度为A角；当工件的加工点在不同的象限，其A角求解公式不同；根据工件的加工点所在的象限选择其对应的A角求解公式，求解出A角的值。

4.根据权利要求3所述的一种数控四轴立式铣床实现联动加工的后置处理算法，其特征在于：所述的工件的加工点所在各个象限，其对应的A角求解公式如下：

第一象限：

第二象限：

第三象限：

第四象限：

式中，y、z为件的加工点在工作台旋转中心坐标系中的坐标值；A为旋转的角度。

5.根据权利要求4所述的一种数控四轴立式铣床实现联动加工的后置处理算法,其特征在于：所述的步骤2实现刀尖跟随功能包括以下步骤：将刀位点在编程坐标系中的坐标值带入步骤1所述的转换公式中，求得刀位点经转换后在工作台旋转中心坐标系中的坐标值；然后将刀位点绕X轴按照顺时针方向旋转A角，并通过下列公式求出刀位点在工作台旋转中心坐标系中的新坐标值，公式如下所示：

式中，y、z为刀位点经转换后在工作台旋转中心坐标系中的坐标值，y′,z′为刀位点在工作台旋转中心坐标系中旋转后的新坐标值。

6.根据权利要求5所述的一种数控四轴立式铣床实现联动加工的后置处理算法，其特征在于：将所述的刀位点在工作台旋转中心坐标系中的新坐标值通过下列公式再转换回到编程坐标系中，可得刀位点在编程坐标系中的新坐标值，其转换公式如下所示：

式中，y′,z′为刀位点在工作台旋转中心坐标系中的新坐标值，y₁、z₁为刀位点在转换回到编程坐标系中的新坐标值，offset_y、ffset_z为O相对于O₁的偏置值分量；其中，O为工作台旋转中心坐标系的原点，O₁为编程坐标系的原点。

7.根据权利要求6所述的一种数控四轴立式铣床实现联动加工的后置处理算法，其特征在于：所述的步骤3中控制非线性公差的步骤如下：将工作台旋转中心点至工件的加工点的直线设为旋转半径，并以工作台旋转中心点为圆心，工件的加工点为起始点做弧线，再通过用户输入的已知非线性公差Δ，通过下列公式求出走刀步长L的值；

式中，L为走刀步长的值，R为工作台旋转中心点至工件的加工点的直线长度，Δ为非线性公差；

然后根据下列公式将走刀步长L均匀分割成多段，从而形成一系列均匀分布的中间插入点；公式如下所示：

N＝int(dis/L)+1

N为均匀分割的份数，dis为直线刀轨的长度，int表示取整；

根据直线两端的端点坐标算出均匀分布的中间插入点坐标，接着依据步骤1算出两端点对应的A角度值，再根据上述均匀分割份数N，将角度差值均匀分为N份，这样即可求出插入的每个中间点对应的A角；

再通过步骤2的方式算出各个中间插入点在编程坐标系中的新坐标。

8.根据权利要求7所述的一种数控四轴卧式铣床实现立式转换的方法,其特征在于：所述的步骤4中调整进给速度的步骤如下：首先在编程软件中植入ISO国际标准规定的G93指令要求，然后在编程时，用户输入F₀的值后，编程软件根据G93指令通过F₀的值从而求得F值的倒数；再根据下列公式得到在G93指令下的F值；公式如下：

式中，F₀为用户编程时输入的进给速度(单位为mm/min)，dis为该程序段路径的长度；在得到G93指令下的F值后，操作完成。